燃料电池系统及其控制方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月10日提交的序列号为16/030,908的美国专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开总体上涉及燃料电池领域，更具体地涉及具有阳极保护的燃料电池系统以及用于控制该燃料电池系统的方法。

燃料电池是电化学装置，其可通过燃料（如氢）与氧化剂（如大气中所含的氧）的电化学反应将来自燃料的化学能转化为电能。燃料电池系统作为能量供应系统被广泛开发，因为燃料电池在环境方面是有优点的并且是高效的。为了提高系统效率和燃料利用率并减少外部水使用，燃料电池系统通常包括阳极再循环回路。由于单个燃料电池仅能产生约1V的电压，因此，通常将多个燃料电池堆叠在一起（通常称为燃料电池堆）以获得期望的电压。

燃料被供应到阳极再循环回路。阳极再循环回路包括阳极鼓风机（blower）路径和阳极路径。阳极鼓风机布置在阳极鼓风机路径中，并且燃料电池堆的阳极布置在阳极路径中。阳极路径在分离点处被分成阳极鼓风机路径和燃料排气路径。阳极鼓风机用于为阳极再循环回路提供驱动力。

典型的固体氧化物燃料电池（SOFC）的阳极通常由镍（Ni）金属陶瓷制成。阳极中的镍用作燃料氧化的催化剂和电流导体。在燃料电池系统的正常操作期间，SOFC堆通常在700℃以上操作，并且由于主要是氢燃料气体的连续供应，阳极中的镍（Ni）保持其还原形式（reduced form）。

然而，当在阳极鼓风机上发生任何故障或异常事件时，阳极再循环回路会断开。所供应的吹扫（purge）气体（通常使用燃料和蒸汽的混合物）可能会从阳极鼓风机路径而不是阳极路径逸出，这不能保证所需的还原气体通过燃料电池堆。

此外，在失去阳极再循环之后，阳极再循环回路中的重整器（reformer）不能再从阳极排气中回收热。通过使用燃料和蒸汽的混合物作为吹扫气体，由于吸热蒸汽重整反应，重整器可以比阳极更快地冷却。在重整器入口温度降到某一值（其根据所使用的催化剂可以在400℃到650℃的范围内）以下之后，蒸汽重整反应停止。然后，没有富含H

当阳极经受缺乏还原气体气氛时，阳极中的Ni可能经历再氧化，其中，Ni可与从阴极层扩散或引入阳极室的空气中的氧进行反应，在约350℃以上的温度下形成氧化镍（NiO）。在阳极的微结构中形成NiO可导致阳极层的体积膨胀，这对整个SOFC结构施加应力。在快速氧化期间，电解质不能像形成氧化镍那样快地膨胀，从而导致电解质破裂的可能性。燃料电池堆的完整性将受损。

发明内容

在本公开的实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池堆，被配置用于发电并且具有阳极和阴极；阳极再循环回路，包括所述阳极；燃料供应装置，用于经由燃料馈送路径提供燃料气体；空气供应装置，用于经由空气馈送路径将空气提供到燃料电池堆的阴极；阳极鼓风机；以及切换元件。阳极再循环回路具有第一路径和第二路径，并且阳极布置在第二路径中。在燃料电池系统的正常操作期间，燃料馈送路径和第一路径在合并点处合并而形成第二路径，并且第二路径在分离点处分成第一路径和燃料排气路径。阳极鼓风机位于阳极再循环回路中并且被配置用于驱动通过阳极再循环回路的循环。切换元件位于第一路径和合并点中的至少一个中，并且被配置为在阳极鼓风机故障的情况下迫使燃料气体流过第二路径到燃料排气路径。

在本公开的实施例的另一方面，提供了一种用于控制燃料电池系统的方法。该燃料电池系统包括被配置用于发电并且具有阳极和阴极的燃料电池堆、以及包括该阳极的阳极再循环回路。该方法包括通过阳极鼓风机的驱动将燃料气体供应到阳极再循环回路；将空气供应到燃料电池堆的阴极；监测阳极鼓风机的健康状态；当接收到阳极鼓风机的故障的信号时，发起燃料电池系统的关闭过程；以及迫使燃料气体流过阳极到燃料排气路径。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的标号在所有图中表示相同的部分，其中：

图1是具有阳极再循环回路的示例性燃料电池系统的示意性框图；

图2是根据本公开的实施例的具有阳极保护的燃料电池系统的示意性框图；

图3是根据本公开的另一实施例的具有阳极保护的燃料电池系统的示意性框图；

图4是根据本公开的又一实施例的具有阳极保护的燃料电池系统的示意性框图；

图5是根据本公开的实施例的用于控制燃料电池系统的示例性方法的前部分的流程图；

图6是示出根据本公开的实施例的如何发起图5中的燃料电池堆的关闭过程的流程图；以及

图7是根据本公开的实施例的用于控制燃料电池系统的示例性方法的后部分的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本公开的实施例。在以下描述中，未详细描述公知的功能或构造，以避免在不必要的细节上使本公开模糊。

除非另外定义，否则本文所用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。如本文所用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个元素与另一个元素。而且，术语“一”和“一个”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用项。术语“或”意味是包括性的，并且意味所列出的项中的任一个或全部。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及另外的项。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且还可以包括电连接或电耦合，无论是直接还是间接的。另外，表示具体位置的术语（例如“顶部”、“底部”、“左”和“右”）是参照具体附图的描述。本公开中公开的实施例可以以不同于附图中所示的方式放置。因此，本文所使用的位置术语不应限于特定实施例中所描述的位置。

图1示出了示例性燃料电池系统100的示意性框图。如图1所示，示例性燃料电池系统100包括用于发电的燃料电池堆11。燃料电池堆11可以包括堆叠在一起的多个燃料电池。燃料电池可例如包括但不限于固体氧化物燃料电池（SOFC）。实际上，燃料电池可以是使用镍基材料作为阳极材料的任何燃料电池。

燃料电池堆11包括阳极12、阴极13和电解质14。燃料电池系统100可具有包括燃料电池堆11的阳极12的阳极再循环回路10。燃料电池堆11的阳极12具有阳极入口和阳极出口。燃料电池堆11的阴极13具有阴极入口和阴极出口。

阳极12可支持发电的电化学反应。燃料气体可在阳极12中被从阴极13经由扩散通过电解质14而接收的氧离子氧化。反应可在阳极12中产生自由电子形式的热、蒸汽和电，其可用于向功率负载（未示出）供电。氧离子可以使用从功率负载返回到阴极13的电子经由阴极氧化剂的氧还原来产生。

阴极13可以耦合到阴极氧化剂源（如大气中的氧）。阴极氧化剂被定义为被供应到在发电时由燃料电池系统100所采用的阴极13的氧化剂。阴极13可以对于从阴极氧化剂接收的氧离子是可渗透的。

电解质14可与阳极12和阴极13连通。电解质14可使氧离子从阴极13传递到阳极12，并且可具有很小的导电性或不具有导电性，以便防止自由电子从阴极13传递到阳极12。

继续参考图1，燃料电池系统100包括燃料供应装置21和空气供应装置22。燃料供应装置21可经由燃料馈送路径P1将燃料气体提供到阳极再循环回路10。燃料气体可包括例如天然气（NG）。空气供应装置22可经由空气馈送路径P2将空气提供到燃料电池堆11的阴极13。

燃料电池系统100包括阳极鼓风机41，其用于驱动通过阳极再循环回路10的循环。阳极再循环回路10具有第一路径P3和第二路径P4。阳极12布置在第二路径P4中。阳极鼓风机41可位于阳极再循环回路10中。例如，阳极鼓风机41位于第一路径P3中，如图1所示。或者，阳极鼓风机41也可位于第二路径P4中。在燃料电池系统100的正常操作期间，燃料馈送路径P1和第一路径P3在合并点Q1合并以形成第二路径P4，并且第二路径P4在分离点Q2分成第一路径P3和燃料排气路径P5。

燃料电池系统100还可包括燃料流量调节器31和空气流量调节器32。燃料流量调节器31可调节提供给阳极再循环回路10的燃料气体的燃料流率。空气流量调节器32可调节提供给燃料电池堆11的阴极13的空气的空气流率。

可选地，燃料电池系统100还可以包括供水装置23和蒸汽流量调节器33。供水装置23可以将用于燃料重整的蒸汽馈送到燃料馈送路径P1，并且进一步馈送到阳极再循环回路10。蒸汽流量调节器33可以调节馈送到燃料馈送路径P1的蒸汽流率。

在一个实施例中，如图1所示，阳极再循环回路10可进一步包括重整器15。重整器15位于第二路径P4中并在阳极12的上游。重整器15具有重整器入口和重整器出口。重整器15的重整器出口耦合到阳极12的阳极入口，并且阳极12的阳极出口可返回到重整器15的重整器入口，从而形成阳极再循环回路10。

当燃料电池系统100在操作中时，例如天然气的燃料气体被供应到阳极再循环回路10（特别地，在该实施例中，重整器15的重整器入口），并且空气被供应到燃料电池堆11的阴极13。在重整器15中，燃料气体可以被重整以在重整器出口处产生富氢（H

富氢重整产物进入燃料电池堆11的阳极入口。在燃料电池堆11的阳极12中，富氢重整产物和来自阴极13的氧离子混合，并通过随后的电化学反应（2）转化为蒸汽，从而发电并释放大量的热。

在另一实施例中，燃料电池堆11可具有内部重整功能而无需单独的重整器15。在这种情况下，燃料电池堆11的阳极出口可直接返回到阳极入口以形成阳极再循环回路10。因此，燃料重整反应（1）和电化学反应（2）都将在燃料电池堆11的阳极12中发生。

燃料电池系统100包括催化燃烧器51。来自阳极出口的燃料排气和来自阴极出口的空气排气可以在催化燃烧器51中燃烧。

燃料电池系统100包括燃料热交换器61、第一空气热交换器62和第二空气热交换器63。燃料热交换器61位于阳极再循环回路10的第二路径P4中，并且燃料热交换器61可将来自阳极出口的燃料排气的热传递到由燃料供应装置21提供的暖燃料气体。第一空气热交换器62和第二空气热交换器63顺序地位于空气馈送路径P2中。第一空气热交换器62可将来自第二空气热交换器63出口的气体的热传递至由空气供应装置22提供的冷空气，并且，第二空气热交换器63可将来自催化燃烧器51的高温燃烧器排气的热传递至来自第一空气热交换器62出口的暖空气。

燃料电池堆11、重整器15、催化燃烧器51和第二空气热交换器63被密封在热箱1中。热箱1的内部处于高温环境。

图2示出了根据本公开的实施例的具有阳极保护的燃料电池系统200的示意性框图。与图1的燃料电池系统100相比，根据本公开的实施例的燃料电池系统200还可以包括切换元件。切换元件可位于第一路径P3和合并点Q1中的至少一个中。如图2所示，在一个实施例中，切换元件可以包括止回阀71。在另一个实施例中，切换元件可以包括电磁阀。在又一实施例中，切换元件可以包括串联连接的止回阀71和电磁阀的组合。在又一实施例中，切换元件还可包括故障安全三通阀。在下文中，为了描述的目的，止回阀71被作为切换元件的示例。在本公开的附图中，止回阀71被示出为位于阳极再循环回路10的第一路径P3中。在阳极鼓风机41故障的情况下，止回阀71可迫使燃料气体流过第二路径P4到燃料排气路径P5。阳极鼓风机41故障意味着阳极鼓风机41将不再能够驱动通过阳极再循环回路10的循环。当接收到阳极鼓风机故障的信号时，止回阀71被触发，并且第一路径P3被断开。此时，可以确保燃料气体流过第二路径P4而不是第一路径P3到达燃料排放路径P5，并且燃料气体被还原为还原气体。因此，可以确保足够的还原气体以最小量流过燃料电池堆11的阳极12。当温度为500℃以上时，阳极12可以保持在还原气氛中，以便防止Ni的再氧化。当切换元件是故障安全三通阀时，切换元件可位于合并点Q1处，这可迫使燃料气体流入第二路径P4而不是第一路径P3。

与图1的燃料电池系统100相比，根据本公开的实施例的燃料电池系统200还可以包括压力控制装置，其用于在燃料电池系统200关闭时维持阳极压力高于阴极压力。继续参考图2，根据本公开一个实施例的压力控制装置可以包括阳极压力控制阀72。阳极压力控制阀72可以单独地调节阳极压力，以便在燃料电池系统200关闭过程时维持阳极压力高于阴极压力，这可以防止空气从阴极13交叉泄漏到阳极12，这种交叉泄漏可能会氧化阳极材料。在一个实施例中，阳极压力控制阀72位于分离点Q2与催化燃烧器51之间。在另一实施例中，阳极压力控制阀72位于分离点Q2之后且热箱1之前。

如图3所示，燃料电池系统200可进一步包括布置在重整器15附近的阳极热交换器64。催化燃烧器51可将重整器15维持在有效重整反应温度（例如500-650℃）以上，这可提供连续的还原气体（H

在具有阳极热交换器64的实施例中，热通过第一空气热交换器62传递到由空气供应装置22提供的冷空气的高温气体是来自阳极热交换器64出口的气体。

燃料电池堆11、重整器15、催化燃烧器51、第二空气热交换器63和阳极热交换器64都密封在热箱1中。

作为一个示例，如图3所示，由燃料供应装置21供应的约200℃的暖燃料气体通过燃料热交换器61。在燃料热交换器61中，约200℃的暖燃料气体从来自阳极出口的约750～800℃的阳极排气中回收热。在燃料热交换器61之后，从燃料热交换器61的出口离开并且进入重整器入口的燃料气体可以达到约680～750℃。

由空气供应装置22供应的约25℃的冷空气通过第一空气热交换器62。在第一空气热交换器62中，约25℃的冷空气与来自阳极热交换器64出口的约450℃的气体交换热。在第一空气热交换器62之后，来自第一空气热交换器62出口的暖空气可以达到约300℃，然后进入热箱1。在热箱1的预热之后，进入第二空气热交换器63入口的暖空气可以达到约400℃。在第二空气热交换器63中，约400℃的较暖空气进一步与来自催化燃烧器51的约850℃的高温燃烧器排气进行热交换。在第二空气热交换器63之后，从第二空气热交换器63出口离开并进入阴极入口的热空气可达约700℃，并且从第二空气热交换器63离开并进入阳极热交换器64的燃烧器排气为约700℃。在阳极热交换器64中，阳极热交换器64可以将约700℃的燃烧器排气的热传递到重整器15。在阳极热交换器64之后，从阳极热交换器64出口离开并且进入第一空气热交换器62的燃烧器排气可以达到约450℃。在第一空气热交换器62之后，从第一空气热交换器62排出的燃烧器排气为约150-200℃。

如图4所示，根据本公开另一实施例的压力控制装置可包括孔口73。在一个实施例中，孔口73位于分离点Q2的下游。在另一实施例中，孔口73位于第一空气热交换器62的下游。

在本公开的实施例的燃料电池系统200中，通过布置诸如止回阀71的切换元件和压力控制装置，本公开的燃料电池系统200可以有效地保护燃料电池堆11的阳极12免于氧化，并且在阳极鼓风机41故障的情况下防止燃料电池堆11的交叉泄漏，并且因此可以保护燃料电池堆11的完整性。

本公开的燃料电池系统200可以只使用燃料电池堆11的正常操作中所使用的现有的燃料供应装置21，而不使用任何额外的气体供应，例如基于氨的还原气体或氢气瓶，以防止阳极12中的镍的再氧化。本公开的燃料电池系统200对于安装和操作可以是经济的。

图5示出了根据本公开实施例的用于控制燃料电池系统的示例性方法的前部分的流程图。控制方法可以包括以下步骤。

如图5所示，在框B11中，燃料气体可通过阳极鼓风机41的驱动由燃料供应装置21供应到燃料电池系统的阳极再循环回路10。

在可选实施例中，控制方法还可包括可选步骤B12。在框B12中，蒸汽可通过供水装置23供应到阳极再循环回路10。

在框B13中，空气可由空气供应装置22供应到燃料电池堆11的阴极。

在框B14中，可由传感器监测阳极鼓风机41的健康状态。

在框B15中，确定阳极鼓风机41是否发生任何故障或异常事件。当接收到阳极鼓风机41故障的信号时，过程继续到框B16。否则，过程返回到框B14。

在框B16中，当接收到阳极鼓风机41故障的信号时，可发起燃料电池系统200的关闭过程。

图6示出了根据本公开实施例的如何发起图5中的燃料电池堆11的关闭过程。发起燃料电池系统200的关闭过程可以包括以下步骤。

在图6的框B21中，切断燃料电池堆11的功率负载。

在框B22中，将提供给燃料电池堆11的阴极13的空气的空气流率设定为预定空气流率值。

在框B23中，将提供给阳极再循环回路10的燃料气体的燃料流率设定为预定燃料流率值。

在框B24中，将提供给阳极再循环回路10的蒸汽的蒸汽流率设定为预定蒸汽流率。框B23和B24的目的可以确保阳极再循环回路10中的蒸汽与碳之比（SCR）在预定蒸汽与碳之比极限以上，以避免碳沉积。例如，预定蒸汽与碳之比极限可包括3。

回到图5，在框B17中，可以迫使燃料气体流过阳极12到达燃料排气路径P5。

在一些实施例中，控制方法还可包括框B18。在框B18中，阳极压力可维持成高于阴极压力。在一个实施例中，维持阳极压力高于阴极压力可以包括单独地调节阳极压力以维持阳极压力高于阴极压力。

图7示出了根据本公开实施例的用于控制燃料电池系统的示例性方法的后部分的流程图。控制方法还可以包括以下步骤。

在图7的框B31中，可调节催化燃烧器51的负载，并且来自催化燃烧器51的高温燃烧器排气的热被传递到阳极再循环回路10的重整器15，以便将重整器入口处的温度维持在预定重整反应温度以上，直到阳极温度下降到阳极材料的氧化速率可忽略的温度阈值以下。温度阈值例如为350℃。

在框B32中，确定阳极温度是否下降到温度阈值以下。当阳极温度下降到温度阈值以下时，过程继续到框B33。否则，过程返回到框B31。

在框B33中，当阳极温度下降到温度阈值以下时，燃料气体、蒸汽和空气被切断。

在框B34中，当阳极温度下降到温度阈值以下时，催化燃烧器51关闭。

在框B35中，当阳极温度下降到温度阈值以下时，在预定时间内通过使用例如氮气（N

吹扫的一个目的是在阳极温度为120℃以上时除去阳极管道中的残余水蒸气。如果燃料电池系统自然冷却至100℃以下，则水蒸气将变成液态水并留在阳极管道中，这是不合期望的。因此，当水为蒸汽或水蒸气形式时，需要吹扫阳极12。此外，吹扫的另一个目的是去除阳极管道中的残余燃料排气。燃料排气可包括H

在一个实施例中，吹扫气体可以是N

本公开的控制方法可以有效地保护燃料电池堆11的阳极12免于氧化，并且在阳极鼓风机41发生故障的情况下防止燃料电池堆11的交叉泄漏，并且因此可以保护燃料电池堆11的完整性。

虽然根据本公开的实施例的控制方法的步骤被图示为功能框，但是图5-7中所示的各个框中的框的顺序和步骤的分步不意图为限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行这些框，并且与一个框相关联的步骤也可以与一个或多个其他框组合，或者可以被细分成多个框。

虽然本公开已经在典型的实施例中进行了说明和描述，但是其并不意图限于所示的细节，因为可以在不以任何方式脱离本公开精神的情况下进行各种修改和替换。因此，本领域技术人员仅使用常规实验就可以想到本文公开的本公开的进一步修改和等同物，并且所有这样的修改和等同物都被认为是在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。